ООО"ФилАвто"   г.Энгельс

8(8453)771368,   8(8453)711439   filavto@yandex.ru

 

 

Применение горючих газов в качестве топлива дизелей.

В последнее время все более широкое распространение получают га­зовые двигатели (двигатели, работающие на газовом топливе) и газо­жидкостные (двухтопливные) двигатели, работающие на газовом и ди­зельном топливах. Это объясняется рядом преимуществ газообразного топлива по сравнению с жидким. Хорошие антидетонационные качества

  1. Зак. 2160

Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели

Сравнительная характеристика топлив

  1. Массовая доля.
  2. напряжение сдвига при 30 °С и 20 с1.
  3. единица измерения промилле, 1%о = 10 3 = 0,1%.

 

газовых топлив, благоприятные условия смесеобразования, широкие пределы воспламенения в смесях с воздухом обеспечивают высокие тех­нико-экономические показатели двигателей.
По удельной мощности и топливной экономичности лучшие совре­менные газовые и газожидкостные двигатели близки к жидкотопливным, а по токсичности ОГ и износу имеют значительные преимущества перед ними.
Применяемые газовые и газожидкостные двигатели отличаются большим разнообразием способов организации рабочих процессов и конструкций, но их можно подразделять по типу применяемого газового топлива, особенностям организации процессов смесеобразования, вое пламенения и сгорания, а также по принципу регулирования этих двига­телей (рис. 1.27).
Газовые двигатели различают по типу организации процесса воспла менения газообразного топлива. Их обычно создают на базе серийно вы­пускаемых двигателей, работающих на жидком топливе.
Созданы газовые двигатели с внутренним смесеобразованием и форкамерно-факельным зажиганием. По такой же схеме выпускали дви­гатели большой размерностью для дизель-генераторов (8ГЧН26/26 и др.). Все они работают на сжатом газе.
Позже были созданы двигатели с системами топливоподачи сжи­женного газа.
В этих системах сжиженный газ вначале преобразовывался в газооб­разное состояние, а затем смешивался с воздухом в газовоздушном сме­сителе, установленном во впускном трубопроводе, т.е организовыва­лось внешнее смесеобразование (в смесительных устройствах, сходных по принципу работы с карбюраторами, обеспечивающих теми же средст­вами необходимый состав смеси на всех режимах).
При этом были разработаны системы топливо-подачи с количествен­ным, качественным и смешанным регулированием газовых двигателей.
Воспламенение газообразного топлива в камере сгорания (КС) дизе­ля возможно от дополнительной свечи зажигания (форкамерно-факель- ное зажигание) за счет теплоты сжатия газовоздушной смеси и от запаль­ной дозы дизельного топлива.
Газовые двигатели с форкамерно-факельным зажиганием явля­ются значительно более сложными, чем двигатели с внешним смесеобра­зованием, и в настоящее время не нашли широкого применения.
Непосредственное использование газообразных топлив в дизелях без дополнительной свечи зажигания возможно только при степени сжа­тия 22 и выше, что обусловлено высокой температурой самовоспламене­ния этих топлив. Поэтому преимущественное распространение получили газодизели, в которых в конце такта сжатия газовоздушной смеси осуще­ствляется впрыскивание дозы дизельного топлива. Причем запальная до-


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
Рис. 1.27. Типы газовых двигателей

за зависит от особенностей газодизеля (его размерности, уровня форси­рования, свойств газообразного топлива) и может колебаться в широких пределах (от 5 до 50%).
При конвертировании дизеля в газодизель требуется минимальное переоборудование двигателя, заключающееся в установке газовоздуш­ного смесителя во впускной трубопровод с системой регулирования по­дачи газа при изменении нагрузочного режима (качественное регулиро­вание) и некоторой конструктивной модернизации регулятора подачи за­пальной дозы дизельного топлива.
Газодизельные двигатели с подачей запальной дозы дизельного топ­лива разработаны для судовых, дизель-генераторных и транспортных ус­тановок, для использования на газоперекачивающих станциях и т. д.
Топлива, применяемые в газодизельных двигателях
Горючие газы, применяемые в качестве топлив в газодизельных дви­гателях, можно подразделить на два основных вида: сжатые (комприми- рованные) и сжиженные. К первому виду топлив относятся горючие газы, подвергающиеся сжатию при высоком давлении (около 20,0 МПа), ко второму - газы, имеющие высокую критическую температуру и сжижаю­щиеся при обычной температуре и относительно невысоком давлении (до 1,5-2,0 МПа). Газы первого вида подразделяют на высококалорийные (с низшей теплотой сгорания Ни > 23000 кДж/м3), среднекалорийные (Ни = 15000-23000 кДж/м3) и низкокалорийные (Ни < 15000 кДж/м3).
К высококалорийным относятся природные газы, получаемые из скважин газовых и газоконденсатных месторождений, а также нефтяные газы - метаноэтановые фракции газов, получаемых из скважин попутно с нефтью и при ее переработке. Кроме того, некоторые из среднекалорий­ных газов, рассмотренных ниже, после специальной обработки также об­ладают высокой калорийностью.
Основным компонентом природных газов является метан СН4, со держание которого составляет 95-99% (табл. 1.11, 1.12). В очень неболь­шом количестве в них присутствуют также этан С2Н6- пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12 и высшие углеводороды. Кроме того, эти газы содер­жат азот и углекислый газ (1~4%). Относительная плотность газов колеб­лется в пределах 0,56 - 0,58, теплота сгорания таких топлив составляет 34000-35600 кДж/м3, а тепловой эквивалент равен 1,25-1,35.
Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, в основном состоят из метана, количество которого колеблется в широких пределах. Относительная плотность их составляет 0,53-0,90, а содержание метана - 63-95% (см. табл. 1.11).
В метаноэтановых фракциях попутных нефтяных газов, получаемых при добыче нефти и ее прямой перегонке, количество этана возрастает до 30~60% от количества метана. В метаноэтановых фракциях газов дест­руктивной переработки нефти, особенно термического крекинга, кроме СН4 и С2Н6 появляются в значительном количестве Н2 и простейшие алке- ны, в частности этен С2Н4. В этих газах содержание углеводородов с дву­мя атомами углерода достигает 40-60% и более от содержания СН4. В метаноэтановых фракциях газов, получаемых при добыче и переработ­ке нефти, присутствие более высокомолекулярных углеводородов (с С3 и выше) зависит от качества проведенного фракционирования и колеб­лется в относительно широких пределах (от долей процента до несколь­ких процентов). В качестве примесей в нефтяных газах присутствуют С02, H2S, N2, а также органические производные последнего и пары воды.

К среднекалорийным газам относятся коксовый и светильный газы, получаемые из каменного угля в результате его газификации. От высоко-

Низшая теплота сгорания, относительная плотность по воздуху и состав газов основных газовых                    ®
и газоконденсатных месторождений, попутных нефтяных, промышленных и генераторных газов

Месторождение,
газообразные
продукты

н

Рг

 

 

 

 

Состав, % (об.)

 

 

 

 

кДж
м3

Рв

сн4

с2н6

С3Н8

C4H10

С5Н12+
более
тяжелые

N2 + редкие газы

Hz

о2

СО

С02

 

 

 

 

Гэзовые месторождения

 

 

 

 

 

Медвежье Северо -

33790

0,560

98,36

0,17

0,01

0,01

0,020

1,01

-

-

-

0,42

Ставропольское Байрамли -

33760

0,570

97,80

0,08

0,01

0.01

 

1,10

 

 

 

1,00

Мургабское
Северо -

33780

0,578

98,20

0,99

0,11

 

 

0,50

 

 

 

0,20

Уренгойское
Уренгойское

33770
Нет
дан­

0,560

97,88

0,82
Газоко

нденсатн

ь/е месюро

>кдения

1,09

 

 

 

0,21

Шатликское

ных

0,673

85,31

5,81

5,31

2,05

0,018

0,90

 

 

 

0,60

(Мургабское)
Шебеленское

 

0,587

95,05

1,63

0,20

0,07

0,070

1,75

"

~

1,23

(Днепродонецкое) Поляткипское

"

0,605

92,62

4,0

0,90

0,10

0,220

1,54

 

~

0,62

(Западно - Сибирское)

 

0,560 - 0,570

92,00 - 96,20

3-3,90

0,13-
0,35

0.13-
0,23

 

0,60

 

 

 

0,50

Месторождение,
газообразные
продукты

Ни.
кДж
м3

Рг
Рв

Состав, % (об.)

СН4

С2Н6

С3Н8

С4Ню

С5Н12+
более
тяжелые

N2 + редкие газы

Н2

о2

СО

С02

 

 

 

 

Попутные нефтяные газы

 

 

 

 

 

Бориспавское

37610

Нет

92,2

3,9

1,5

0,9

1,3

-

-

-

-

0,2

 

 

дан -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ромашкинское

52130

-

48,0

16,6

16,1

7,3

2,9

9,1

-

-

-

-

Туймазинское

54640

-

37,5

20,0

18,5

7,7

4,0

12,2

 

-

0,1

 

 

 

 

Промышленные газы

 

 

 

 

 

Жидкофазного

62840

Нет

30,5

18,0

15,0

6,0

24,0

-

6,0

-

0,5

-

крекинга

 

дан -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Парофазного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

крекинга

57200

-

32,0

14,0

6,5

2,0

38,5

-

7,0

_

Коксовый

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обогащенный

22170

-

52,0

-

-

-

2,2

24,6

9,0

1.2

11,0

-

Генераторные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

газы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из кускового

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

торфа

6400

-

3,0

-

-

-

0,4

46,4

15.0

0,2

28,0

7,0

Из дров

4700

 

2,0

 

.

 

0,3

54,5

12.0

0,2

20.0

11,0

 

Г азообразные и легкокипящие компоненты

Формула состава

Молекулярная масса

Плотность жидкой фазы при темпе­ратуре кипения и р = 0,1 МПа, кг/м3

Плотность газовой фазы при t = 0°С и р = 0,1 МПа, кг/м3

Относительная плотность газа по воздуху

Октановое число по моторному методу

Метановое число

Цетановое число

Температура кипения при и р = 0,1 МПа, °С

Температура критическая, °С

Теплота сгорания низшая (массовая), кДж/кг

Теплота сгорания низшая (объемная), кДж/м3

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг/кг

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 м3 вещества, м3/м3

Теплота испарения при температуре кипения, кДж/кг

Теплоемкость Ср при р = 0,1 МПа, f =20°С,кДж/(кг °С)

Коэффициент объемного расширения при 20°С

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

 

 

 

 

 

 

Нормальные парафиновые углеводороды

 

 

 

 

 

Метан

СН„

16,04

416

0,717

0,554

110

100

3

-161,6

-82,1

499948

35797

14,2

9,53

511

2,165

Нет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свед.

Этан

СА

30,07

546

1,356

1,048

102

44

8

-88,6

-32,3

47160

63748

14,6

16,66

486

1,647

 

Пропан

С3н8

44,09

585

2,019

1,562

100

35

16

-42,0

96,8

45938

91251

15,7

23,80

427

1,550

1,156

Бутан

QH.0

58,12

600

2,703

2,091

90

11

25

0.5

152,0

46406

118654

15.6

30,94

389

1.592

1,108

Пентан

 

72,15

617

3,220

2,488

62

Нет

41

36,1

197,2

45359

146119

15,35

30,08

357,

1,926

Нет

 

 

 

 

 

 

 

свед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свед.

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

 

 

 

 

 

 

Изопарафиновые углеводороды

 

 

 

 

 

 

Изо­

СдН|0

58,12

594

2,668

2,064

92

Нет

-11.7

133,7

45406

118645

15.6

30,94

381

1,59

1

1,121

бутан

 

 

 

 

 

 

свед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Олефиновые углеводороды

 

 

 

 

 

 

Этилен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(этен)

С2Н„

28,05

566

1,261

0,975

76

Нет

Нет

-103,7

9,4

46842

59063

14,4

14,28

481

1,460

Нет

 

 

 

 

 

 

 

свед.

свед.

 

 

 

 

 

 

 

 

свед

Пропи­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лен (про­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пен)

С3н6

42,08

609

1.915

1,481

85

 

 

-47,0

92,3

45615

86018

14,8

22,42

440

1,426

1,164

Бутилен

С,Н8

56,11

646

2,500

1,937

82

 

 

-6.3

146,4

45125

113508

14,8

28,56

410

1,591

Нет

(бутен-1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свед.

Изобу­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тилен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(изо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бутен)

С4Н8

56,11

646

2,500

1,937

88

 

 

-7,0

144,7

45,125

113508

14,8

28,56

398

1,591

 

 

 

 

 

 

 

 

Другие газообразные топлива

 

 

 

 

 

 

Водород

Н2

2.02

71

0,090

0,0695

70

0

 

-252,8

-239,9

119872

9372

34.5

2.4

Нет

Нет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свед.

свед.

 

Аммиак

NH3

17,03

Нет

0,771

0,596

Нет

Нет

-33,4

132

17130*

13200*

6,14

3,66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свед

свед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ацети­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лен

С2Н2

26,04

 

1,173

0,906 |

 

 

-83,8

36

46524

54570

14,2

12,9

 

 

 

калорийных эти газы отличаются большим содержанием водорода Н2 (25-50%) и меньшим содержанием метана (15—35%). Поскольку тепло­та сгорания единицы объема водорода меньше, чем метана (соответст­венно 9372 и 35797 кДж/м3), эти газы отличаются меньшей теплотой сго­рания. Кроме того, в состав коксового и светильного газов входит в до­вольно большом количестве (10-20% и более) СО, имеющий объемную теплоту сгорания Ни, лишь немного большую (12029 кДж/м3), чем у во­дорода. Количество же азота N2 и его производных в коксовом и светиль­ном газах значительно выше (10-20% и более), чем в высококалорийных газах. В этих газах в небольших количествах присутствуют также С02(3~6%), 02 (до 1%), H2S и пары воды.
Для повышения теплоты сгорания коксового и светильного газов до уровня высококалорийных они могут быть подвергнуты обогащению (метанизации). При метанизации газы СО и Н2 в присутствии катализато­ра (Со, Ni и др.) обращаются в метан (СО + ЗН2 -» СН4 + Н20); одновре­менно удаляются сернистые соединения, кислород, органические соеди нения азота и другие вредные примеси.
К среднекалорийным относятся также газы полукоксования (40-50% СН4, 5-10% Н2, Ни ~ 25000 кДж/м3) и побочные газообразные продукты производства синтетического каучука, содержащие кроме метана также непредельные газообразные углеводороды (Ни - кДж/м3).
К низкокалорийным относятся доменный (колошниковый) и силовой (генераторный) газы. Доменный газ вырабатывается как побочный про­дукт технологического процесса на металлургических заводах. Генера­торные газы получают путем высокотемпературной газификации полез­ных ископаемых органического происхождения (торф, бурый уголь и др.) и биомассы (древесина, отходы сельскохозяйственного производст­ва, водоросли и др.). Основным горючим компонентом этих газов явля­ется оксид углерода СО (25—30%). Кроме горючей части, эти газы содер­жат в очень большом количестве (до 65% и более) негорючие компонен­ты, среди которых N2 (до 50% и более) и С02 (до 10-15% и более). Поэто­му теплота сгорания таких газов очень невелика (3800-5000 кДж/м3). Однако при хорошей очистке и обогащении газ, полученный из биомас­сы, имеет НИ = 30000-35000 кДж/м3 и не уступает по этому показателю природному газу.
Проводятся исследования по изучению пригодности биогаза для ис­пользования в газодизелях. Биогаз получают из органических отходов ме­тодом брожения. Биогаз на 40-80% по объему состоит из метана и на 20-55% - из углекислого газа. В небольших количествах, до 2%, в биогазе содержатся пары воды, до 3% - сернистый водород и менее 1% - азот и во­дород. Оценка пригодности биогаза для применения в дизеле производит­ся на основе сравнения показателей его сгорания и метана (табл. 1.13).


Показатели

Биогаз

Метан

Теплота сгорания, МДж/кг газа

9,8-29,6

50

Теплота сгорания стехиометрической смеси, МДж/м3

2,98-3,33

3,41

Потребность воздуха при стехиометрической

3,4-10,2

17,2

смеси, кг воздуха/кг газа

 

 

Граница воспламенения по а:

 

 

богатой смеси

0,66-0,7

0,7

бедной смеси

1,8-1,95

2,1

Максимальная ламинарная скорость сгорания, м/с

0,2-0,37

0,4

Метановое число

115-130

100

Основным топливом остаются природные газы, добываемые из сква­жин газовых и газоконденсатных месторождений (см. табл. 1.11). После очистки от нежелательных примесей и обогащении (при необходимости) из природных газов получают газообразные топлива, заправляемые в баллоны под высоким давлением. Некоторые физико-химические свой­ства этих топлив, нормированные ГОСТ 27577-87 и ТУ 51-16.6-83, приве­дены в табл. 1.14.
Основным компонентом сжатых (компримированных) природных газов является метан, содержание которого не должно быть ниже 90% для газа марки А и 85% - для марки Б (см. табл. 1.14). Содержание в них более тяжелых углеводородов ограничено с целью исключения образо­вания отложений в агрегатах газовой аппаратуры Содержание негорю­чих составляющих (N2, 02, С02) также ограничено, поскольку их большая концентрация в газообразных топливах снижает теплоту сгорания. Так как при дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура значительно понижается и возможно выделение из газа кристалликов льда, во избежание закупорки льдом элементов системы топливоподачи производится тщательное обезвоживание газа. Лимити­руется также содержание в газе коррозионно-агрессивных веществ - се­ры и ее соединений.
Метан и богатые им горючие газы можно использовать в качестве топлива для транспортных двигателей не только в сжатом виде, но также и сжиженном при низкой температуре (ниже -162°С) и атмосферном дав­лении Применение сжиженного природного газа позволяет значительно повысить энергоемкость этого вида топлива, но осложнено рядом обсто­ятельств. Стоимость сжиженного метана значительно выше, чем компри-


Таблица 1 14 Сжатые (компримированные) газообразные топлива (ГОСТ27577-87. ТУ 51-16.6-83)

Показатели

Марка топлива

А

Б

Давление газа в баллонах, МПа, не менее

19.62

19,62

Температура газа, подаваемого на заправку, “С, не более:

 

 

для умеренной и холодной климатических зон

40

40

для жаркой климатической зоны

45

45

Компонентный состав, % (об.), не более:

 

 

метан

95+5

90+5

этан

4

4

пропан

1,5

1,5

бутан

1,0

1,0

пентан

0,3

0,3

диоксид углерода

1,0

1,0

кислород

1,0

1,0

азот

0-4

4-7

Концентрация, г/м3, не более:

 

 

сероводорода

0,02

0,02

меркаптановой серы

0,016

0,016

механических примесей

0,001

0,001

влаги*

0,009

0,009

Содержание сероводородной и меркаптановой серы,

 

 

% (мае.), не более

0,1

0,1

Относительная плотность по воздуху*, не более

0,586

0,611

Октановое число по моторному метопу, не менее

103,0

102,3

Низшая теплота сгорания, кДж/м3, не менее

33896

33657

Температура воспламенения, °С, не менее

625

608

*При1 = 15°С и р = 0,1 МПа.

мированного, а хранение более сложно: при обращении с жидкостью, имеющей температуру ниже -162°С, требуются особые меры предосто­рожности. Кроме того, при хранении и транспортировке сжиженного ме­тана неизбежны потери вследствие испарения, достигающие 7,2~1,5% в сутки. Это не только приводит к потерям топлива, но и увеличивает по- жаро- и взрывоопасность. Поэтому сжиженный природный газ может по­лучить применение на транспорте при удешевлении сжижения метана и усовершенствовании методов его хранения и транспортировки.
В качестве топлив для транспортных двигателей используются сжи­женные пропан-бутановые фракции, получаемые главным образом при переработке нефтяного (попутного) газа, а также из природных газов газоконденсаторных месторождений, содержащих тяжелые углеводо­роды. Кроме пропана и бутана в состав этих топлив в небольшом коли­честве входят этан, этилен, пропилен, бутилен, изобутилен и изобутан (см. табл. 1.15).


Таблица 1.15
Сжиженные газообразные топлива (ГОСТ20488-80, ГОСТ27578-87)

Показатели

Марка топлива

СПБТЗ

СПБТЛ

БТ

Компонентный состав, % (мае.):

 

 

 

сумма метана, этана и этилена

<4,0

<6,0

<6,0

сумма пропана и пропилена

-75,0

-34,0

<34.0

сумма бутана и бутилена

<20,0

<60,0

^60.01

#
Жидкий остаток при 20°С, % (об.), не более

1,0

2,0

2,0

Содержание сероводорода в 100 м3, г, не более

5,0

5,0

5,0

Содержание общей серы, % (мае.), не более

0,015

0,015

0,015

Давление насыщенных паров (избыточное), МПа:

 

 

 

при 45°С, не более

1,6

1,6

1,6

при 20°С, не менее

0,22

Примечание: при 40°С жидкий остаток во всех топливах должен отсутствовать. Топливо СПБТЗ (смесь пропана и бутана технических, зимняя) предназначено для зимней, а СПБТЛ (смесь пропана и бутана технических, летняя) ~ для летней эксплуатации. Используют также топливо, состоящее из бутана технического (ВТ).

По сравнению со сжиженными природными газами (метаном) про пан-бутановые фракции, имеющие относительно высокие критическую температуру и температуру кипения (см. табл. 1.12), сжижаются при нор­мальной температуре и сравнительно невысоком давлении (около 1,5 МПа). Некоторые физико-химические свойства этих топлив, норми рованные ГОСТ 20488-80 и ГОСТ 27578-87, приведены в табл. 1.15.
Указанными выше нормативными документами предусмотрено от­сутствие жидкого остатка (воды и других загрязняющих примесей) в баке при 40°С. В частности, наличие более тяжелых углеводородов (начиная с гексана С16Н14) приводит к образованию неиспаряющихся осадков и от­ложений в баке и газовой топливоподающей аппаратуре, что нарушает ее работу (например, газового редуктора). Параметры смеси пропана и бу­тана зависят от соотношения этих компонентов, что дает возможность эф­фективно изменять показатели топлива, приспосабливая его к заданным климатическим условиям. Кроме нормирования содержания в этих топ­


ливах различных углеводородов ограничивают также наличие в них кор- розионно-активных соединений серы и давление насыщенных паров.
Принципиально возможно использование в качестве топлива водо­рода, аммиака, ацетилена и ряда других газов (см. табл. 1.12). Одной из основных проблем, сдерживающих применение этих газов на транспор­те, является сложность и нерентабельность их получения и хранения в ус­ловиях эксплуатации.
Наибольший интерес вызывает использование водорода в качестве топлива для дизелей. Водород характеризуется высокой массовой тепло­той сгорания, не образует вредных веществ в продуктах сгорания и име­ет огромную сырьевую базу. Широкие концентрационные пределы вос­пламенения водородно-воздушных смесей (4~75% (об.)) позволяют обеспечить оптимальные условия его сгорания с позиции топливной эко­номичности, показателей динамики процесса сгорания, токсичности ОГ. Основная проблема использования водорода в качестве моторного топ­лива связана с его хранением. Температура кипения водорода равна 252,8°С (см. табл. 1.12). Поэтому хранить его на транспортном средстве можно в газообразном виде при обычных температурах и высоком дав­лении, в сжиженном виде при температурах ниже его температуры кипе­ния или с использованием промежуточного носителя. Для эксплуатации наиболее рационально использование промежуточного носителя водо­рода. Такими носителями являются гидриды металлов (магния, ванадия, железа и др.) и их сплавы. Водород в них сохраняется в химически свя­занном состоянии и при необходимости извлекается из соединения при термическом, химическом или термохимическом воздействиях. Однако в настоящее время работы по переводу дизеля на водород пока не вышли из стадии отдельных лабораторных исследований.
Возможность использования газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания определяется его физико-химическими свойства­ми. Рассмотрим их более подробно.
Физико-химические свойства газовых топлив
Наиболее важными критериями пригодности газов в качестве топли­ва в газовых и газодизельных двигателях являются их детонационная стойкость и склонность к самовоспламенению в камере сгорания (КС) ди­зеля, теплотворная способность газов, содержание в них вредных ве­ществ и механических примесей, физические свойства сжиженных газов (давление насыщенных паров, коэффициент объемного расширения, плотность, вязкость и сжимаемость жидкой фазы) и др. (см. табл. 1.12).
Важным свойством газообразных топлив является антидетонацион- ная стойкость, оцениваемая октановым и метановым числами. Большая часть компонентов газообразных топлив имеют более высокие 04, чем автомобильные бензины (см. табл. 1.12), поэтому в газовых двигателях можно использовать на 20~25% большую степень сжатия и реализовать более высокий термодинамический КПД, чем в бензиновых.
Метановое число (МЧ) характеризует антидетонационные свойства топлив, находящихся при нормальных условиях в газообразном состоя­нии. Метан является очень стойким к детонации газом, и его МЧ принято равным 100. Водород, напротив, обладает крайне низкими антидетонаци- онными свойствами, и его МЧ принято равным 0. Метановые числа неко­торых индивидуальных углеводородов - компонентов сжатых и сжижен­ных газов - приведены в табл. 1.12. Так как углекислый газ и азот термо­стойки, их наличие в больших количествах в горючих газах повышает МЧ. Например, МЧ природного газа составляет 70-100, рудничного газа - 100-120, канализационного газа (биогаза) - 120-135, газа в хранилищах отходов, содержащего максимальное количество С02 и N2 -130...150. Ис­ходя из эффективности использования в двигателях внутреннего сгора­ния с принудительным воспламенением различных газов, предложена следующая ориентировочная оценка их пригодности в зависимости от МЧ. > 100 - очень хорошие; 85-100 - хорошие; 70-85 - пригодные; 55-70 - трудноприменимые; < 55 - крайне трудноприменимые. Исполь­зование в двигателях газов с низкими значениями МЧ, например, коксо­вого газа (МЧ 30-40) или смеси пропана и бутана (МЧ 20 - 35), требует внесения соответствующих изменений в регулировку двигателя, а иногда и в его конструкцию (изменение степени сжатия, формы КС и др.). Так, смесь пропана и бутана нашла применение в качестве топлива в автомо­бильных двигателях, но их мощность в этом случае получается меньшей, чем при использовании газов, стойких к детонации.
При использовании газовых смесей с высокими МЧ в газодизельных двигателях достаточно высокие мощностные показатели, топливная эко­номичность и показатели токсичности ОГ могут быть достигнуты при со­хранении неизменной степени сжатия и воспламенении от запальной до­зы дизельного топлива. Природные газы, имеющие МЧ от 70 до 100, ис­пользуют только в газодизельных двигателях с подачей запальной дозы дизельного топлива. Применимы в качестве топлива для таких двигате­лей нефтяные газы с МЧ от 60 до 90. При использовании в дизелях газо­вых смесей с МЧ менее 55 (смесь пропана и бутана), имеющих понижен­ную термическую стойкость, возможна работа дизеля без запальной до­зы дизельного топлива. Для дизелей, работающих на термостойких при­родных газах, запальная доза дизельного топлива составляет не менее 30% от общего его расхода.

Следует также отметить, что в газовых двигателях воспламенение

и устойчивое горение газообразных топлив возможно при более высоких, чем у бензинов, коэффициентах избытка воздуха а. Так, при сгорании бензинов предельно допустимый диапазон изменения а составляет 0,3-1,75, для природного газа он равен 0,65-2,00, а для пропана - 0,4-1,7. Поэтому газообразные топлива в большей степени, чем бензины, пригодны к работе двигателя на бедных смесях, и их можно сжигать с большей топливной экономичностью.
Рассмотренные свойства газообразных топлив в большей степени ха­рактеризуют возможность их использования в бензиновых двигателях с принудительным воспламенением, чем в дизельных двигателях. Одним из важнейших критериев пригодности газов в качестве топлива в дизель­ных двигателях является их ЦЧ-
У легких углеводородных газов (метан, этан и др.) ЦЧ = 3-8, а тем­пература их самовоспламенения составляет 650-700°С. Поэтому сжига­ние природного газа в дизельных двигателях без дополнительного источ­ника воспламенения (свеча зажигания, запальная доза дизельного топ­лива) теоретически возможно при значительном увеличении степени сжатия (в гипербарных двигателях), но практически трудноосуществимо. Следовательно, более предпочтительны в этом случае сжиженные про- пан-бутановые смеси, имеющие ЦЧ 16-25 и температуру самовоспламе­нения 550-600°С. Их сжигание по дизельному циклу с воспламенением от сжатия возможно при степенях сжатия 22 и выше или при использова­нии других методов повышения температурного уровня воздушного за­ряда и деталей КС.
Пропан и бутан имеют более высокую по сравнению с дизельными топливами термическую стабильность, что приводит к значительному увеличению продолжительности предпламенных реакций, т.е. увеличе­нию периода задержки воспламенения (ПЗВ). Исследования, проведен­ные на вихрекамерном дизеле 1410,5/13 с теплоизолированной вихревой КС и уменьшенным УОВТ, показали, что устойчивое воспламенение про­пановоздушной смеси возможно лишь на режимах, близких к номиналь­ному. При использовании в аналогичных условиях бутана его устойчивое воспламенение оказалось возможным практически на всех эксплуатаци­онных режимах работы дизеля. Однако отмечено более жесткое сгорание бутановоздушной смеси. На номинальном режиме ПЗВ в вихревой и ос­новной КС составил соответственно 1,17 и 1,33 мс при работе на дизель­ном топливе и 2,08 и 1,9 мс при работе на бутане, т.е. при работе на бута­не наблюдается начальное воспламенение смеси в основной КС. После­дующий процесс сгорания бутановоздушной смеси сопровождается большими, чем при использовании дизельного топлива, значениями максимального давления сгорания pz и максимальной скорости нараста­ния давления соответственно на 12 и 14,5%.
ЦЧ пропан-бутановых смесей зависит от содержания в них этих двух углеводородов. Чистый бутан имеет ЦЧ, равное 25, пропан -16. В смесях ЦЧ изменяется в указанных пределах практически по линейному закону


(рис. 1.28, а). Одним из путей улучшения само- воспламеняемости про- пан-бутановой смеси в дизеле является введе­ние в ее состав некоторо­го количества дизельно­го топлива. На рис. 1.28 б заштрихованная пло­щадь, заключенная меж­ду кривыми 1 и 2, соот­ветствует ЦЧ различных по составу смесей бутана
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиС пропаном И дизельным смесей с дизельным топливом от их состава: а - смесь топливом.                     пропана и бутана; б ~ смеси пропана (1) и бутана (2) с
Так как для совре- дизельным топливом; Сс4ню ~ концентрация бутана в менных транспортных смеси; Сдт - концентрация дизельного топлива дизелей, не приспособ­ленных к работе на различных топливах, минимально допустимым для нормального протекания рабочего процесса является ЦЧ, равное 40, а на топливах с ЦЧ 25-30, пуск холодного двигателя чрезвычайно затруднен, надежная работа дизеля на топливной смеси обеспечивается при содер­жании в ней 60-85% (об.) дизельного топлива и 15-40% (об.) пропан- бутановой смеси (см. рис. 1.28, б). Содержание дизельного топлива в сме­си до 10% (об.) позволяет увеличить ее ЦЧ лишь до 22_29 (в зависимости от содержания бутана). Поэтому такой способ улучшения самовоспламе- няемости пропан-бутановой смеси является недостаточно эффективным.
Более эффективным путем улучшения самовоспламеняемости сжи­женных газов является введение в них присадок, интенсифицирующих горение. При добавлении в стандартное дизельное топливо 1-1,5% (об.) такой присадки их ЦЧ увеличивается на 6-12 единиц. Такой же прирост ЦЧ пропан-бутановой смеси возможен при введении в нее 40-50% (об.) дизельного топлива (см. рис. 1.28, б). В качестве присадок, повышающих ЦЧ пропан-бутановой смеси, применяют бутилнитрат, гидропероксид ку- мола и др. Введение в топливную смесь 1-1,5% присадки повышает ее ЦЧ на 5_10 единиц (рис. 1.29, а).
В связи с тем, что введение дизельного топлива в топливную смесь не­обходимо для смазки деталей топливоподающей аппаратуры, минималь­ное количество его ограничивается, а дополнительное улучшение само­воспламеняемости смеси достигается введением соответствующих приса­док. Так, добавление в пропан-бутановую смесь 15% (об.) дизельного топлива повышает ее ЦЧ на 8 единиц, а дополнительное введение 1-1,5% (об.) бутилнитрата увеличивает его еще на 6-8 единиц (рис. 1.29).

  1. Зак. 2160

Одним из наибо­лее существенных не­достатков применения газообразных топлив в газовых двигателях является уменьшение их мощности, обус­ловленное в основном меньшей теплотвор­ной способностью этих топлив по сравне­нию с жидкими нефтя­ными. Это относится в первую очередь к дви­гателям без наддува. Так, низшая теплота сгорания природного газа               составляет
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели33000-37000 кДж/м3, пропана - 91250 кДж/м3, изомеров бутана - не менее 115000 кДж/м3, но для сгорания 1 м3 указанных газовых топлив требуется соответственно 9,65; 23,8 и 30,9 м3 воздуха (см. табл. 1.11,1.12). Поэтому подаваемая в ци­линдры двигателя газовоздушная смесь стехиометрического состава име­ет теплоту сгорания 3230 кДж/м3 для природного газа, 3460 кДж/м3 для пропана и 3410 кДж/м3 для бутана.
Проведенные исследования газового двигателя с рабочим объемом цилиндра Vh -12 л без наддува, работающего на газовоздушных смесях стехиометрического состава (а = 1) на скоростном режиме п — 1000 мин-1, показали, что при Ни > 15000 кДж/м3 теплотворная способ­ность газовоздушных смесей и мощность двигателя меняются незначи­тельно при изменении вида газового топлива (рис. 1.30). Так, при пере­воде двигателя с природного газа на биогаз, а затем и на светильный газ, что соответствует снижению теплотворной способности газа с 35500 до 17000 кДж/м3, теплотворная способность газовоздушной смеси сохрани­лась на уровне 3300 кДж/м3, а цилиндровая мощность двигателя умень­шилась всего с 82 до 78 кВт. При использовании в качестве топлива гене­раторного газа с Ни = 5000 кДж/м3 эти характеристики снижаются соот­ветственно до 2300 кДж/м3 и 52 кВт/цил. Поэтому работа двигателя на низкокалорийных газах крайне нежелательна.
Уменьшения мощности двигателя, работающего на газовом топли­ве, можно избежать при применении турбонадцува и внутреннего сме­сеобразования (качественного регулирования двигателя). Наиболее

просто это можно осуще- N кВг ствить в газодизельных с' ^ двигателях, в которых JQ внутреннее смесеобразо­вание позволяет подавать в КС необходимое коли­чество газового топлива, а турбонаддув обеспечи- 30 вает подачу в цилиндры
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиПИ CMi
двигателя требуемого ф</мэ воздушного заряда. По- зооо этому в этих двигателях 2000 возможно получение юоо мощности, в 1,3~1,4 раза превышающей мощность двигателя, работающего
на штатном дизельном                                                                  ,
способности газовоздушнои смеси Н„гш
топливе, т.е. теплотворная
_                                         г теоретически необходимого для сгорания 1
способность газа не явля- м3 топлива количества воздуха L0 и средней ется критерием ограниче- эффективной мощности Ne газового ния мощности газодизель- двигателя, работающего при п = 1000 мин~’ ных двигателей.              иа = 1, от теплотворной способности газа Ни
Применение газовых топлив в газовых и газодизельных двигателях возможно лишь при огра­ниченном содержании в них вредных веществ и механических примесей. К числу указанных относятся содержащиеся в газе влага, сероводород и другие сернистые соединения, а также хлор и фтор. Содержание в газах указанных веществ или их продуктов сгорания может привести к трудно­стям в организации эффективного рабочего процесса, снижению задан­ных мощностных и экологических показателей, уменьшению срока служ­бы деталей двигателя и смазочного масла.
Для уменьшения износа деталей двигателя необходимо обеспечить очистку газа от пыли и других механических примесей. В транспортных установках загрязненность газовоздушной смеси достигает 0,15 г/м3. Фирма «Дейтц» (ФРГ) допускает содержание пыли в газах, возникаю­щих при хранении и переработке отходов, до 0,025 г/м3. Причем допу­стимое содержание механических примесей в газе зависит от его тепло­творной способности, которая обратно пропорциональна расходу газа. Так, для газов с низкой теплотворной способностью (например, генера­торный газ) содержание механических примесей ограничивается зна­чением 0,01 г/ м3, вто время как для природного газа оно может состав­лять 0,05 г/м3.

Кроме рассмотренных физико-химических свойств газообразных топ­лив при оценке возможности их использования в газовых двигателях при­меняют и ряд других параметров: теплоту испарения, теплоемкость, склон­ность к нагарообразованию и т.д. (см. табл. 1.12). Отдельно следует рассмо­треть физические свойства сжиженных газов (пропан-бутановых смесей), подача которых в КС дизеля в жидкой фазе принципиально возможна штатной топливоподающей аппаратурой дизельных двигателей (при неко­торой ее модификации). Наиболее важными из этих свойств, оказываю­щими значительное влияние на процесс топливоподачи, являются давле­ние насыщенных паров газов, их плотность, вязкость и сжимаемость.
Сжиженные газы могут подаваться в цилиндры двигателя в газовой и жидкой фазах. В первом случае топливо поступает к двигателю под дав лением паров газа в баллоне, поэтому величина этого давления имеет важное значение. Не менее значим этот параметр и при подаче газового топлива в КС дизеля в жидкой фазе штатным ТНВД дизеля. В этом случае высокое давление насыщенных паров может привести к образованию па­ровоздушных пробок в линии низкого давления системы топливоподачи и нарушению ее нормальной работы.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиДля надежной подачи топлива в газо­вой фазе в КС двигателя в баллоне со сжиженным газом должно быть избыточ­ное давление не менее 0,035-0,05 МПа в широком диапазоне температур окружа­ющего воздуха. Сжиженные газы хранятся в баллонах, рассчитанных на сравнитель­но небольшое давление (около 1,6 МПа), поэтому ограничивается и максимальное давление насыщенных паров
Углеводороды, входящие в состав сжиженных газов, значительно различа­ются по давлению насыщенных паров (рис. 1.31), что позволяет производить сжиженные газы, соответствующие вре­мени года и климатическим условиям применения Давление насыщенных па­ров пропан-бутановых смесей в зависи­мости от концентрации компонентов мо- углеводородов, входящих в состав жет изменяться в диапазоне, ограничен- сжиженных газов, от температуры:
ном кривыми 4 и 6 на рис. 1.31. Сжижен- 1 ~эт^лен- 2 ~ этан. 3 -пропилен;
-                                             -                                                                    4 ~ пропан; 5 - изобутан;
ныи газ, содержащий в основном пропан               б~н-бутан-

 

 

(более 70%), хорошо отвечает требова- 7 - бутилен; 8 - пентан


ниям зимней эксплуатации (см. топливо СПБТЗ в табл. 1.15). В летнии пе­риод необходимо увеличивать содержание в смеси бутана (см. топливо СПБТЛ в табл. 1.15).
При переводе дизеля с дизельного топлива на сжиженный газ, пода­ваемый в жидкой фазе в КС топливным насосом высокого давления, на­блюдаются уменьшение коэффициента подачи ТНВД и снижение массо­вой цикловой подачи топлива (ЦПТ), обусловленные высокой испаряе­мостью сжиженного газа, его меньшими плотностью и вязкостью и боль­шей сжимаемостью.
Сжиженный газ легко переходит в газообразное состояние при паде­нии давления в процессе наполнения надплунжерного пространства ТНВД, в результате чего оно заполняется смесью жидкой и паровой фаз газового топлива. Наличие паровой фазы приводит к снижению коэффи­циента подачи, так как часть активного хода плунжера затрачивается на сжатие ее до давления конденсации, что приводит к снижению ЦПТ и да­же выключению подачи. Избежать этого можно путем повышения давле­ния топлива в линии низкого давления - давления подкачки, обеспечи­вающего повышение скорости поступления топлива в надплунжерную по­лость и минимизацию паровой фазы Для определения требуемого дав­ления подкачки смесей дизельного топлива и сжиженного газа могут быть использованы данные, показывающие зависимость минимального давления подкачки (при котором обеспечивается бесперебойная подача топлива) от температуры топливной смеси (рис. 1.32). Представленная зависимость показывает, что при работе на чистом сжиженном газе (кри­вая 5) при нормальной температуре смеси UO'C) давление подкачки должно быть не ниже 0,9-1,0 МПа.
Другим фактором, оказывающим влияние на процесс топливопода­чи (в частности, на ЦПТ) с помощью ТНВД сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом, является заметное отличие их плотности, вязкос­ти и сжимаемости от соответствующих свойств дизельного топлива. Так, если плотность дизельных топлив по ГОСТ 305-82 при нормальных усло­виях изменяется в пределах 800-850 кг/м3, то для углеводородов, вхо­дящих в состав сжиженных газов, этот диапазон составляет 500-630 кг/м3 (при давлении около 1,5 МПа, рис. 1.33). При этом следует отметить более выраженную зависимость плотности сжиженных газов от температуры по сравнению с жидкими нефтяными топливами
Важной для эксплуатации особенностью сжиженных газов является их относительно высокий коэффициент объемного расширения. Так, плот­ность жидкого пропана при 0°С равна 530 кг/м3, а при 50°С - 460 кг/м3, т.е. его удельный объем возрастает на 15,4%. Это приводит к необходимо­сти наличия большого (до 10-15%) свободного объема в топливных бал­лонах. При эксплуатации этот объем заполнен парами углеводородов.


Рпод, МПа
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
Рис. 1.32. Зависимость минимального давления подкачки от температуры топливных смесей: 1 ~ ДЛ; 2 ~ 50% (об.) ДЛ + 50% (об.) сжиженного газа; 3-30% (об.) ДЛ+70% (об.) сжиженного газа; 4 - 15% (об.)
ДЛ + 85% (об.) сжиженного газа;
5 - сжиженный газ (50 % (об.) бутана + 50% (об.) пропана)

Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателивходящих в состав сжиженных смесевых топлив. Однако отбор газового топлива необходимо организовать в жидкой фазе. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объема недопустима, так как это приводит к переохлаждению топлива (из-за затрат теплоты на испаре­ние) и неравномерному расходу компонентов, входящих в его состав. В первую очередь расходуются компоненты, обладающие наибольшим давлением насыщенных паров - пропан и пропилен. Это приводит к изме­нению свойств сжиженных смесей и может вызвать нарушение работы топливоподающей системы.
По сравнению с дизельным топливом сжиженный газ имеет меньшую кинематическую вязкость (рис. 1.34), что приводит к увеличению утечек топлива в ТНВД и форсунках и ухудшению условий работы прецизионных пар топливоподающей аппаратуры. Для предотвращения повышенного из­носа плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей форсунок, обусловленного меньшей вязкостью сжиженного газа (около 0,3 мм2/с, т.е. в 10-20 раз меньше, чем у дизельного топлива), в сжиженный газ вво-


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
дят 5~10% (об.) дизельного топлива или мо­торного масла. Масло и дизельное топливо хорошо растворяются в сжиженном газе, об­разуя устойчивые смеси с более высокой вяз­костью. Это не только улучшает смазывающие свойства топлива, но и облегчает его воспла­меняемость в КС дизеля.
Сжимаемость (коэффициент сжимаемо­сти) пропан-бутановых смесей при 20°С и давлении в баллоне около 1,5 МПа составля- ета = (350-400) -1011 Па1 (рис. 1.35, а), что в 5~7 раз превышает сжимаемость дизельных топлив. Причем с увеличением температуры топлива эта разница заметно возрастает.
Повышенная сжимае-
мость сжиженных газов, обусловленная их легким фракционным составом и повышенной испаряемос­тью входящих в них угле­водородов, неблагоприят­но сказывается на процес­се топливоподачи, приво­дя к уменьшению ЦПТ и полному выключению подачи, особенно на ре­жимах с неполной нагруз­кой. Добавление в сжи­женный газ дизельного топлива с целью увеличе­ния его вязкости и улучше-


ния воспламеняемости благоприятно сказывается и на сжимаемости топ­лива (рис. 1.35, б, в, г). Так, сжимаемость смеси, состоящей из 80% (об.) сжиженного газа и 20% (об.) топлива Л, на 25-35% ниже сжимаемости чистой пропан-бутановой смеси (см. рис. 1.35, б).
Совместное влияние трех рассмотренных физических свойств сжи­женных газов и их повышенная испаряемость приводят к значительному уменьшению ЦПТ, достигающему 50% при работе на номинальном ре­жиме.
Избежать значительного уменьшения ЦПТ при работе на сжиженных газах, подаваемых в КС дизеля штатным ТНВД, возможно либо путем корректирования ЦПТ с помощью корректирующих устройств, либо пу­тем замены серийных плунжерных пар парами большего диаметра.
Сжиженные газы обладают высокой теплотой испарения, превышаю­щей в 1.5_1,7 раза теплоту испарения дизельного топлива (см. табл. 1.12). Поэтому подача в КС сжиженного газа и его последующее испарение при­водят к значительному охлаждению воздушного заряда, положительно влияющему на экологические показатели дизеля.
Газовые топлива могут подаваться в цилиндры двигателей из балло­нов, как со сжатым, так и со сжиженным газом. Кроме того, физические свойства этих топлив отличаются от физических свойств традиционных нефтяных топлив (дизельных, керосинов и др.). Все эти факторы приво­дят к тому, что применяемые в дизелях системы топливоподачи не могут обеспечить подачу газообразного топлива в КС.
Следовательно, необходимы оригинальные системы топливоподачи для газовых и газодизельных двигателей, отличающихся от классических систем топливоподачи.


 

 
 
         
 

 

 

Наши контакты

адрес:

Саратовская обл., г.Энгельс, Промзона

телефоны:

8(8453)77-13-68

89020483620

e-mail:

filavto@yandex.ru

 
Яндекс.Метрика